Radioaktiivisuuden havaitseminen
Kun aine absorboi sähkömagneettista säteilyä infrapunasäteilyn aallonpituusalueella, absorboitunut energia havaitaan kappaleen lämpötilan kasvuna. Rakenneosasten lämpöliike kasvaa, ja elektronit voivat virittyä korkeammille energiatiloille. Kun sähkömagneettisen sätelyn aallonpituutta lyhennetään, säteilyn energia kasvaa. Riittävän suurienerginen säteily kykenee irrottamaan elektroneja ytimistä, jolloin aineen atomeja alkaa muuttua ioneiksi. Näin suurienergistä säteilyä kutsutaan ionisoivaksi säteilyksi. Korkeaenergisen sähkömagneettisen säteilyn lisäksi myös hiukkassäteily voi olla ionisoivaa, jos hiukkasten liike-energia on riittävän suuri.
Ionisoivan säteilyn havaitsemisessa yksinkertaisin laite on geigermittari (kaaviokuva oikealla). Geigermittarin putken sisällä on voimakas sähkökenttä, ja putki on täytetty matalapaineisella kaasulla. Mittari havaitsee säteilyn, jonka energia kykenee ionisoimaan putkessa olevia kaasumolekyylejä. Ionisaatiossa irronnut elektroni kulkee sähkökentän ohjaamana anodille ja aiheuttaa lyhyen virtapiikin. Se voidaan mitata, ja putkeen kytketystä kaiuttimesta kuullaan signaali. Geigermittarin toimintaperiaatteen keksi 1908 saksalainen Hans Geiger (1882-1945).
Kaikista 3000 löydetystä isotoopista vain n. 250 on vakaita. Loput ovat epävakaita ja hajoavat itsestään ilman ulkoista vaikutusta. Tällöin vapautuu energiaa, ja jäljelle jää kevyempiä atomiytimiä. Tätä prosessia kutsutaan radioaktiiviseksi hajoamiseksi eli usein kansankielellä radioaktiivisuudeksi. Vapautuva energia havaitaan ionisoivana säteilynä, joka on hajoamistyypistä riippuen joko sähkömagneettista säteilyä, hiukkassäteilyä tai molempia.
Yllä olevalla videolla tarkkailtiin kolmen eri radioaktiivisen isotoopin lähettämää ionisoivaa säteilyä. Videolla pystytään erottelemaan kolme säteilylajia sen mukaan, miten ne läpäisivät ainetta ja vuorovaikuttivat magneettikentän kanssa. Nämä kolme keskeistä säteilylajia nimettiin 1900-luvun alussa alfa-, beeta- ja gammasäteilyksi. Myöhemmin säteilylajit tunnistettiin. Gammasäteily koostuu suurienergisistä fotoneista ja on sähkömagneettista säteilyä, jonka energia on suurempi kuin röntgensäteilyllä. Gammasäteily pysähtyy vasta hyvin paksuun kerrokseen tiheää ainetta. Beetasäteily on hiukkassäteilyä, joka koostuu elektroneista tai positroneista, eli elektronin antihiukkasista. Se pysähtyy helpommin ja sähkövarauksensa takia sen rata kääntyy magneettikentässä. Alfasäteily on hiukkasssäteilyä, jonka hiukkaset koostuvat kahdesta protonista ja kahdesta neutronista, eli ne ovat heliumatomin ytimiä. Niitä kutsutaan alfahiukkasiksi. Hiukkaset ovat niin raskaita, että ne pysähtyvät paksuun ilmakerrokseen tai paperiin.
Eri säteilylajit on nykyään helppo erottaa toisistaan sen mukaan, miten ne käyttäytyvät sähkö- ja magneettikentässä. Voit tutkia asiaa oheisessa simulaatiossa ja pohtia, miten kurssin 6 tietoja voisi soveltaa.
Simulaatio: Alfa-, beeta- ja gammasäteily Yksi varhainen hiukkasilmaisin on sumukammio. Se on suljettu astia, jossa on täysin kylläistä vesihöyryä. Varauksellisen hiukkasen kulkeminen höyryn läpi aiheuttaa vesihöyryn tiivistymisen vesipisaraksi. Tiivistyminen voidaan havaita paljaalla silmällä. Oheisessa videossa kammioon päästetään radioaktiivista radonkaasua. Kaasu leviää kammioon, ja joka puolella nähdään radonydinten hajotessa vapautuvien alfahiukkasten jättämiä jälkiä. Alfahiukkaset ovat isoja ja pystyvät siksi kulkemaan sumukammiossa vain lyhyen matkan ennen pysähtymistään.
Video: Radon-kaasua sumukammiossa (herberd)
Betasäteily jättää kammioon pidempiä jälkiä, jotka kaartuvat voimakkaasti, mikäli kammio on magneettikentässä. Oheisessa kuvassa on ensimmäinen havainto positronista v. 1932. Rata kaartuu magneettikentässä yhtä paljon kuin elektronilla, mutta päinvastaiseen suuntaan. Kyseessä täytyi olla elektronin massainen, varaukseltaan vastakkainen hiukkanen.